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超高頻奈米電漿光電路

現今積體電路發展之目標為高頻及微小化，因此以光子取代電子的光子電路(photonic circuits)是近年熱門發展方向。然而，介電質光波導(數百奈米)之體積遠大於電子積體電路目前的大小(約10奈米)，因此雖可提高工作頻率，卻無法達到微小化之要求。要同時高頻且微小化，表面電漿波(surface plasmons)提供可能解決方案。電漿奈米光電路利用表面電漿波，可同時將工作頻率提升至可見光頻段(400-700 THz)，並保持次波長大小之線路體積(數10奈米)。然而，奈米電漿電路耗損極高，目前尚無法執行完整電路功能。解決辦法分兩方面：一是以增益物質(gain)來抵銷耗損，二是將電漿光波導中之模態做適當之轉換，使其在傳輸能量時可以耗損較小的模態來進行，到特定線路位置再轉換成可以驅動元件但較高耗損的模態。

我們在這方面的研究包含理論計算、電路設計、結構製作與光學量測四大部分。理論計算與模擬驗證部份，我們部分工作已在2012年發表[Optics Express 2012, 20, 20342-20355]，轉模原理主要為引入180度相差，設計之工作頻段則為近紅外光波段(361 THz)。然而為求能與光通訊頻段(194 THz)結合，在實際實驗上，我們重新設計適合194 THz光訊號的電漿奈米電路。我們與清大光電所黃承彬教授實驗室合作，以194THz之飛秒脈衝雷射激發奈米光電路，並採用紅外頻段CCD執行觀測其散射光，證實的確能經由設計來達到次波長範圍下之侷域模態轉換。其中的技術最困難處在實體電漿光電路之製作。我們採用黃哲勳老師在2010年發表的單晶金奈米結構製作方法[Nature Communications 2010, 1, 150]來製作高精度電漿光電路。此法先以化學合成單晶奈米金片，再以聚焦離子束(Focused-ion beam)蝕刻來製作出設計好的電漿奈米光電路，這樣的優點是製作出來的電路為單晶且完全無缺陷，因此避免了任何表面電漿波的散射，可將耗損降至最低，傳播長度可達約10微米，因此讓我們得以利用普通遠場光學顯微鏡解析觀察其散射訊號。這是學界首次能製作出如此高精度之電漿光電路，並展示在其中傳遞之光學模態的成功轉換。 本工作未來可以搭配上液晶或相轉變物質(phase-transition material)等來調控環境介電係數，如此就可用光、熱或電的方式來調控光學模態。近年來不少關於電漿光電路相關研究使用到脈衝塑型技術(pulse shaping)來控制電漿模態之行進方向或空間分布，我們也曾發表以雷射塑型技術來調控光模態之時間波形[Physical Review B 2009, 79, 195441]，這些研究顯示功能性奈米電漿電路的確可行，唯一的問題是上述耗損與結構製作問題。本工作首次展示實際可行之製作方法及模態轉換，可謂向電漿奈米光電路之實現邁進一大步。

我們接下來的研究，計畫將轉模器上塗覆上液晶或相轉變物質以調控環境介電常數，藉由介電常數之變換，固定的結構長度差異將可產生不同的相位差，操作者將可藉由控制外部光電若熱訊號來開啟與關閉模態轉換。我們也將使用增益物質，以減少耗損，增加光場傳遞長度。我們的長遠目標是將量子點或奈米鑽石置於奈米雙線傳輸線微小的間隙中，以此量子系統作為超小光電晶體，藉由調控其量子態我們希望能調控光場之通過與反射，如此我們便能製作極小且超高頻的量子電漿光電路。